Från grodlår till batterier: Hur fungerar en energilagringsenhet?
Lite historia: Upptäckten av elektriciteten
Luigi Galvani var en italiensk läkare och nyfiken forskare på 1700-talet. Under ett experiment där han undersökte muskler i grodlår upptäckte han ett samband mellan staplade metaller och att grodlåren ryckte till. När Galvani av misstag stötte musklerna med en mässingsstav mot ett metallgaller, drog de ihop sig. Han förstod att elektricitet spelade en roll – men vad som exakt hände klargjordes först några år senare.
Den italienske fysikern Alessandro Volta insåg, baserat på Galvanis upptäckter, att man med hjälp av två olika metallskivor och en skiva läder indränkt i saltvatten däremellan kan skapa elektrisk spänning. Volta staplade först en zinkskiva, sedan en fuktig läderskiva och därefter en silverskiva ovanpå varandra. Detta upprepade han flera gånger och skapade därmed Voltas stapel – det första batteriet som gick att använda tekniskt.
Till ära för dessa vetenskapliga upptäckter har man:
- Dött den fysikaliska enheten för spänning (volt) efter Volta
- Gett kombinationen av zink-, silver- och läderskivor namnet galvanisk cell
Den galvaniska cellen är grunden för alla moderna battericeller.
Några grunder: Ädla och oädla metaller
Vad är det med kombinationen av silver, zink och saltindränkt läder? För att svara på det behöver vi först reda ut några grundläggande begrepp.
Metallernas förmåga att avge och ta upp elektroner är själva byggstenen för att beskriva hur ett batteri fungerar:
| Metalltyp | Egenskaper | Exempel |
|---|---|---|
| Ädla metaller | Roster inte, reagerar lite med andra ämnen, behåller elektroner och kan ta upp fler | Silver, guld, platina |
| Oädla metaller | Mycket reaktiva, rostar, avger elektroner | Zink, järn, aluminium |
De viktigaste begreppen inom batteriteknik
Anod: Den negativa elektroden (minuspol), består av oädelt material, avger elektroner.
Katod: Den positiva elektroden (pluspol), består av ädelt material, tar upp elektroner.
Elektrolyt: En vätska eller fast substans som kan leda elektrisk ström med hjälp av laddade partiklar (joner).
Separator: Skiljer anod och katod åt, men släpper igenom joner – förhindrar kortslutning.
Funktionsprincip i detalj: Urladdningsprocessen
En standardbattericell består av fyra komponenter:
- Anod (minuspol)
- Katod (pluspol)
- Elektrolyt
- Separator
Så fungerar urladdningen:
- Elektronavgivning: Den oädla anoden avger elektroner som vandrar genom kabeln till katoden
- Jonbildning: På grund av elektronbristen bildas positivt laddade joner i anoden
- Jonvandring: Jonerna löses i elektrolyten och vandrar genom separatorn till katoden
- Två separata strömmar:
- Elektronström genom kabeln (den vi kan använda!)
- Jonström genom elektrolyten
- Återförening: I katoden förenas elektroner och joner igen
Elektronströmmen är likström – den flyter alltid i samma riktning och kan användas för elektriska apparater. Kemisk energi omvandlas därmed till elektrisk energi.
Laddningsprocessen: Allt baklänges
Vid laddning lägger laddaren på en motsatt spänning. Därmed vänds hela processen:
- Katoden "förlorar" sina elektroner, som vandrar till anoden
- Joner frigörs ur katodmaterialet
- Jonerna rör sig genom elektrolyt och separator till anoden
- I anoden lagras joner och elektroner in igen
Batteriet är åter uppladdat och redo för nästa urladdningscykel.
Viktiga fackbegrepp och enheter
Livslängd och laddcykler
En laddcykel är förloppet från fullständig urladdning till fullständig uppladdning. Moderna litiumjonbatterier klarar, beroende på typ, mellan 1 000 och 4 000 cykler.
Urladdningsgrad (DoD – Depth of Discharge)
Urladdningsgraden anger till hur stor andel batteriet har laddats ur:
- 0 % DoD = Batteriet är fulladdat
- 100 % DoD = Batteriet är helt urladdat (bör undvikas!)
Varje batterityp har en rekommenderad maximal urladdningsgrad. Om den överskrids skadas batteriet.
C-tal: Ladd- och urladdningshastighet
C-talet beskriver förhållandet mellan ladd-/urladdningseffekt och kapacitet:
C-tal = Effekt (kW) / Kapacitet (kWh)
| C-tal | Ladd-/urladdningstid | Betydelse |
|---|---|---|
| 0,25C | 4 timmar | Skonsam laddning |
| 0,5C | 2 timmar | Standard för hemmabatterier |
| 1C | 1 timme | Snabbladdning |
| 2C | 30 minuter | Hög effekt |
Exempel: Ett batteri med 10 kW effekt och 20 kWh kapacitet har ett C-tal på 0,5C – det laddas upp eller ur på 2 timmar.
Energitäthet
Förhållandet mellan lagrad energi och utrymme:
- Volymetrisk: Wh per liter (Wh/l)
- Gravimetrisk: Wh per kilogram (Wh/kg)
Litiumjonbatterier med LFP-katoder når omkring 200 Wh/kg – betydligt mer än blybatterier.
Minneseffekt
Detta fenomen beskriver minskningen av kapacitet när ett batteri upprepade gånger laddas innan det är helt urladdat. Batteriet "minns" den förkortade laddcykeln och levererar därefter bara motsvarande del av kapaciteten.
Bra att veta: Moderna litiumjonbatterier påverkas i praktiken inte av minneseffekten – till skillnad från äldre nickel-kadmium-batterier.
Översikt: De viktigaste enheterna
För arbete med batterier och solcellsanläggningar är några enheter och nyckeltal särskilt viktiga. Tabellen nedan sammanfattar de viktigaste storheterna:
| Enhet | Namn | Betydelse |
|---|---|---|
| kW | Kilowatt | Effekt (arbete per tidsenhet) |
| kWh | Kilowattimme | Energimängd (1 kW under 1 timme) |
| kWp | Kilowatt-peak | Maximal effekt för en solcellsanläggning |
| % (η) | Verkningsgrad | Användbar / tillförd energi |
| C | C-tal | Ladd-/urladdningseffekt / kapacitet |
| % DoD | Depth of Discharge | Urladdningsgrad |
Slutsats
Det viktigaste: Batteriets funktionsprincip bygger på den galvaniska cellen och kemiska reaktioner. Med en anod, katod, separator och elektrolyt hålls elektroner och joner åtskilda – på så sätt uppstår en användbar elektrisk spänning. Det som började för över 200 år sedan med grodlår och metallskivor är idag grunden för smarta telefoner, elbilar och solcellsanläggningar.
För den som vill fördjupa sig: Litium vs. bly: Vilket batteri passar bäst till solcellsanläggningen?
Hela artikelserien ”Energilagring för solcellsanläggningar”
- Från grodlår till batterier: Hur fungerar en energilagringsenhet? – du är här
- Litium vs. bly: Vilket batteri passar bäst till solcellsanläggningen? – Teknikk jämförelse
- Kraftelektronik: Växelriktare och DC-DC-omvandlare – Strömomvandling
- Allroundern: Hybridväxelriktare – Allt i en enhet
- AC eller DC? Systemtopologier för solcellsanläggningar – Anläggningskoncept